Das Higgs Boson und seine Masse Was lernen wir von der Entdeckung am LHC?

Transkript

1 Das Higgs Boson und seine Masse Was lernen wir von der Entdeckung am LHC?

2 LHC : Higgs Boson gefunden? CMS 2011/12 ATLAS 2011/12

3 Higgs Boson gefunden! Masse GeV

4 Higgs Boson des Standard-Modells kompatibel mit allen Beobachtungen T.Plehn, M.Rauch

5 Brout-Englert-Higgs Mechanismus bestätigt Higgs Brout Englert

6 eine Vorhersage

7 zu gut um wahr zu sein? 500 theoretische Physiker = 500 Modelle äquidistante Vorhersagen Bereich GeV 3 GeV Bins : man erwartet mehrere korrekte Vorhersagen, allerdings für verschiedene Modelle Motivation hinter der Vorhersage?

8 Brout- Englert- Higgs- Mechanismus: Spontane Symmetrie-Brechung

9 Spontane Symmetrie-Brechung bestätigt beim LHC

10 Spontane Symmetrie-Brechung Fermi Skala

11 Feldgleichung für Erwartungswert das Higgs - Skalars

12 Potenzial für Higgs-Skalar φ : komplexes Feld

13 Vakuum : statische homogene Lösung, Minimum des Potenzials

14 Spontane Symmetrie-Brechung Fermi Skala Phase von φ 0 beliebig, jeder gebene Wert ist nicht invariant unter Phasenrotation : SSB

15 Radiale Mode und Goldstone-Mode Entwicklung um Minimum des Potentials Massenterm für radiale Mode

16 Masse des Higgs-Bosons lineare Näherung : Fermi Skala λ : quartische Kopplung des Skalarfelds

17 masselose Goldstone-Mode lineare Näherung : ähnlich elektromagnetische Wellen im Vakuum, aber ohne Polarisation

18 masselose Goldstone-Mode Supra-Fluidität in He 4

19 Abelscher Higgs-Mechanismus Supraleitung Kopplung eines komplexen Skalarfelds an elektromagnetisches Feld ( Photon )

20 Abelscher Higgs-Mechanismus Supraleitung massives Photon!

21 Photon Masse m=e φ

22 Eich-Symmetrie Goldstone-Boson ist Eichfreiheitsgrad kein physikalisches Teilchen Kann durch Eichtransformation eliminiert werden, wird zur longitudinalen Komponente des massiven Photons

23 Standard-Modell der elektroschwachen Wechselwirkung : Brout-Englert-Higgs-Mechanismus φ : zwei komplexe Felder ( Higgs-Doublet ) W- und Z-Bosonen werden massiv, Photon bleibt masselos

24 Standard-Modell der elektroschwachen Wechselwirkung : Brout-Englert-Higgs-Mechanismus Die Massen aller geladenen Fermionen und W,Z-Eichbosonen sind proportional zum ( Vakuum -Erwartungs -) Wert des skalaren Felds φ H Für Elektron, Quarks, W- und Z- Bosonen : etc. m electron = h electron * φ H

25 Brout-Englert-Higgs- Mechanismus gibt den Elementarteilchen ihre Masse nicht : dominanter Beitrag zur Protonmasse und Masse der Atome (QCD, chirale Symmetriebrechung )

26 Lektionen

27 1 Das Vakuum ist kompliziert

28 Masse hängt ab von den Eigenschaften des Vakuums Elementarteilchen : Anregungen des Vakuums ( Vakuum = Äther ) Teilchen-Eigenschaften hängen von Eigenschaften des Vakuums ab

29 Spontane Symmetrie-Brechung nicht nur Eigenschaft von Festkörpern, Magneten etc., sondern zentrale Eigenschaft der fundamentalen Gesetze!

30 Das Vakuum ist nicht leer!

31 2 Fundamentale Konstanten sind nicht konstant

32 Hatten Kopplungskonstanten im frühen Universum andere Werte als heute? Ja!

33 Fundamentale Kopplungs-Konstanten in der Quanten-Feld-Theorie Massen und Kopplunskonstanten werden durch Eigenschaften des Vakuums bestimmt! Ähnlich zu Maxwell-Gleichungen in Materie

34 Physik der kondensierten Materie : Gesetze hängen vom Zustand des Systems ab Grundzustand, Thermischer Gleichgewichtszustand Beispiel : Gesetze des Elektromagnetismus in Supraleitern sind von Maxwell-Gleichungen im Vakuum verschieden

35 Photon Masse m=e φ

36 Standard-Modell der Elementarteilchen-Physik : Elektroschwache Eichsymmetrie ist durch Erwartungswert des Higgs-Skalars spontan gebrochen. Und wenn dieser früher einen anderen Wert hatte?

37 Kosmologie : Universum ist nicht in festem statischen Zustand Dynamische Evolution Gesetze hängen von der Zeit ab

38 Restoration der Symmetrie bei hoher Temperatur im frühen Universum Niedrige T SSB <φ>=φ 0 0 Hohe T SYM <φ>=0 hohe Temperatur : Weniger Ordnung Mehr Symmetrie Bespiel: Magnete

39 Standard-Modell der elektroschwachen Wechselwirkung : Brout-Englert-Higgs-Mechanismus Die Massen aller geladenen Fermionen und W,Z-Eichbosonen sind proportional zum ( Vakuum -Erwartungs -) Wert des skalaren Felds φ H Für Elektron, Quarks, W- und Z- Bosonen : etc. m electron = h electron * φ H

40 Im heissen Plasma des frühen Universums : Gleiche Masse von Elektron und Myon! Ähnliche Stärke der elektromagnetischen and schwachen Wechselwirkung

41 Elektroschwacher Phasenübergang im frühen Universum s nach Urknall crossover

42 Zeitliche Änderung von Kopplungskonstanten Wie stark ist die gegenwärtige Änderung der Kopplungskonstanten?

43 Kann zeitliche Änderung der Kopplungskonstanten beobachtet werden? Feinstruktur-Konstante α (elektrische Ladung ) Verhältnis Elektron- zu Proton- Masse Verhältnis Nukleon- zu Planck- Masse

44 Zeitentwicklung von Kopplungen und skalare Felder Feinstrukur-Konstante hängt ab vom Wert des Higgs Felds : α(φ) Zeitentwicklung von φ Zeitentwicklung von α Jordan,

45 Statische Skalar Felder im Standard - Modell Wert des Higgs Skalars nach dem elektroschwachen Phasenübergang eingefroren Keine beobachtbare zeitliche Änderung von Kopplngkonstanten im Standard - Modell

46 Beobachtung einer zeitlichen oder räumlichen Variation der Kopplungskonstanten Physik jenseits des Standard Modells

47 Quintessenz Kosmologie Massen und Kopplungen können vom Wert des Kosmon Felds abhängen ähnlich zur Abhängigkeit vom Wert des Higgs Felds

48 3 Standard Modell der Elementarteilchenphysik könnte bis zur Planck Länge gültig bleiben

49 Längen- und Energie- Skalen Newton s Konstante GN=1/(8πM²) Reduzierte Planck Masse M= GeV Planck Länge m

50 Längen- und Energie- Skalen Fermi Skala 175 Gev Reduzierte Planck Masse M= GeV Fermi Länge m Planck Länge m

51 Die grosse Wüste : Neue Physik erst bei der Planck - Länge

52 a prediction

53 The mass of the Higgs boson, the great desert, and asymptotic safety of gravity

54 key points great desert solution of hierarchy problem at high scale high scale fixed point vanishing scalar coupling at fixed point

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56 Planck scale, gravity no technicolor no multi-higgs model no low scale higher dimensions no supersymmetry

57 Entscheidende Grösse quartische skalare Kopplung Vorhersage der Masse des Higgs Bosons = Vorhersage des Werts der quartischen skalaren Kopplung λ bei der Fermi Skala

58 Potenzial für Higgs-Skalar φ : komplexes Feld

59 Renormierung, laufende Kopplungen Kopplungen hängen von der Längenskala ab, oder von einer Massenskala k

60 Laufende quartische skalare Kopplung Degrassi et al

61 Vorhersage für die Masse des Higgs Skalars 2010

62 Vorhersage für die Masse des Top Quarks bei bekannter Masse des Higgs Bosons for m H =126 Gev : m t = GeV

63 Metastabiles Vakuum? Existenz eines konsistenten Modells dieser Art unsicher

64 Zusammenfassung Entdeckung des Higgs- Bosons : spontane Symmetriebrechung bestimmt Massen der Elementarteilchen Vakuum is nicht leer Fundamentale Kopplungen sind nicht unveränderlich Standard- Modell vielleicht bis zur Planck Skala gültig

65 conclusions observed value of Higgs boson mass is compatible with great desert short distance fixed point with small λ predicts Higgs boson mass close to 126 GeV prediction in SM+gravity, but also wider class of models desert: no new physics at LHC and future colliders relevant scale for neutrino physics may be low or intermediate ( say GeV ) - oasis in desert?

66 end

67 Running quartic scalar coupling λ and Yukawa coupling of top quark h neglect gauge couplings g

68 running SM couplings Degrassi et al

69 Partial infrared fixed point

70 infrared interval allowed values of λ or λ/h 2 at UV-scale Λ : between zero and infinity are mapped to finite infrared interval of values of λ/h 2 at Fermi scale

71 infrared interval

72 running Planck mass infrared cutoff scale k, for k=0 :

73 What if top pole mass is 173 GeV? standard model needs extension around GeV scale of seesaw for neutrinos heavy triplet?

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